沸腾换热计算式

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1、沸腾换热计算式沸腾换热计算式(1)大容器饱和核态沸腾前面的分析表明，影响核态沸腾的因素主要是壁面过热度和汽化核心数，而汽化核心 数 又受到墨面材料及其表面状况、压力和物性的影响。由于因素比较复杂，如墨面的表面状况受表 面污染、氧化等影响而有不同，文献中提出的计算式分歧较大。在 此仅介绍两种类型的计算式： 一种是针对某一种液体的；另一种是广泛适用于各种液体的。当然，针对性强的计算式精确度往 往较高。对于水，米海耶夫推荐的在1054X106Pa压力下大容器饱和沸腾的计算式为按q=hAt的关系，上式也可转换成以上两式中h:沸腾换热表面传热系数,W/(m2K) P：沸腾绝对压力,Pa; t:壁面过热度

2、,C;q：热流密度,W/m2。基于核态沸腾换热主要是气泡高度扰动的强制对流换热的设想,推荐以下使用性光的实 验关联式:式中c :饱和液体的比定压热容,J/(kg K);plC :取决于加热表面-液体组合情况的经验常数; wlr: 汽化潜热, J/kg ;g: 重力加速度, m/s2 ;Pr :饱和液体的普朗数,Pr=c p /k ;ll pl l lp J饱和液体的动力粘度,kg/(ms);p、p :饱和液体和饱和蒸汽的密度，kg/m3； lvY :液体-蒸汽截面的表面张力，N/m;s:经验指数,对于水s=1,对于其他液体s=1.7。 由实验确定的 C 值见表 3-1。wl表面-液体组合情况C

3、wl水-铜烧焦的铜0.0068抛光的铜0.0130水-黄铜0.0060水-铂0.0130水-不锈钢磨光并抛光的不锈 钢0.0060化学腐蚀的不锈钢0.0130机械抛光的不锈钢0.0130苯-铬0.101乙醇-铬0.0027M化学腐蚀的不锈钢0.0130机械抛光的不锈钢0.0130苯-铬0.101乙醇-铬0.0027J-Jdr* i .en x J-26期诃P.J f、卓抽加x诃和L fS 110-(30 1.jjjLJ_l 1 LLL1fij一曲曲*表 3-1 各种表面-液体组合情况的 Cwl 值wl图 3-5 铂丝加热水的沸腾换热实验数据的整理水在不同压力下沸腾的实验数据与式(3-6)的比较

4、见图 3-5。式(3-6)还可以改写成为以下便于计算的形式:这里要着重指出两点：为特征长度,1)式(3-6)实际上也是形如Nu=f (Re, Pr)或St=f (Re, Pr)的主则式。其中: 厲一曲是以单位面积上的蒸汽质量流速q/r为特征速度的Re数；它正比于旗袍脱离加热面时的直径。不难证明，r/c t就是St数，其中Nu数也以 pl为特征长度。2)由于沸腾换热的复杂性，目前在各类对流换热的准则式中以沸腾换热准回式与实验数 据的偏差程度最大。以图3-5所示情形为例，当已知At计算q时，计算值与实验值的偏差可达 100% ;而由于qt3,因而已知q计算At时，则偏差可缩小到土33%左右。对于制

5、冷介质而言，以下的库珀(Cooper)公式目前得到教广泛的应用:A =缈血时寧(-増幽讯 = % 诃3/佝5 K)何二氏12-仇2切尺J呻 &式中， M 为液体的分子量; p 为对比压力(液体压力与该流体的临界压力之比); R 为表面平均粗 rrp糙度，M (对一般工业用管材表面，R为0.30.4p m) ； q为热流密度，W/m2； h的单位为W/(m2K)。 mp【例3-1】图3-1为1大气压下饱和水的沸腾曲线，试求此加热系统的C值。wl【解】按式(3-6)确定 C 。wl已知：s=1，饱和温度t =100C。饱和水的物性从附录查得s为:c =4.22kJ/(kg K),Pr=1.75,

6、p =958.4kg/m3, 丫 =0.0589N/m, p =0.000283kg/(m s),而 plp =0. 598kg/m3, r=2257kJ/kg。v于是从图 3-1 读得:q=4X105W/m2时,At=10C。于是讨论 该例题给出了如何由实验测定值来确定不同的固-液配对时系数C值的方法。根据实wl验数据计算C时，为取得一个平均值，应当测定数个q下的At值，然后通过计算获得其平均值。wl【例3-2 R-12及R-22由于其对大气臭氧层有破坏作用已被国际社会规定禁止生产、使用或即将停止生产与使用。R-134a是用以替代它们的一种新制冷剂。为了查明其传热性能，进行了 大容器水平光管

7、沸腾换热试验，到得了表3-2所列的数据:Hd他 的实晋故播* 13a.Mxic%环琅4,19* 妙郸刊+45&526上5669596463试验条件是t =5C (p =0.349MPa) 。 R-134a的分子量为M =102，临界压力为p =4.06MPa,试将库珀公ssrc式简化成h=cqc.67的形式，并对计算值h及实验值h的差别进行比较。ce【解】式(3-8)可转化为k二严刚-电厲心严=q严取 R=0.3p m,则 m=0.2246。于是有pGM如昨仏也-K) 乂也x仕證斗X卜仗侄謬)J -4.96 M幻丿(品血 K)表面传热系数的计算值h与实测值h的对比如表3-3所示。ce计算值与实

8、测值对比 表 3-3q(W/m2)2.09X1062.51X1042.93X1043.35X1043.76X1044.11X1041.19X1044.61X104h38904398487853375766612061706609(h -h )/h4.11.37.35.94.85.312.94.9讨论 应用式(3-8)时的一个不确定的因素是R值的选取。这个量与式(3-6)中的C相类似, p wl取决于表面的条件，其值的选取完全是经验性的。根据现有文献，对商售铜观管,R 般为0.3 p0.4p m。(2) 大容量沸腾的临界热流密度(3)大容量膜态沸腾应用汽模的泰勒不稳定性原理导得的大容器沸腾的临界

9、热流密度的半经验公式可推荐 作计算之用,该式为膜态沸腾中,汽膜的滚动和换热在许多方面类似于膜状凝结中液膜的流动和换热，适宜 用简化的边界层做分析。对于横管的膜态沸腾，仅需将凝结式中的入和M改为蒸汽的物性，用 P (p -P )代替p 2,并用实验系数0.62代替凝结式中的0.729,即v l v l此式除p及r的值由饱和温度t决定外，其余物性均以平均温度t =(t +t )/2为定性温度，特征sm w s长度为管外径d (单位为m)。如果加热表面为球面，则式(3-10)中的系数为0.67,其余同上。应该指出，由于汽膜热阻较大，而壁温在膜态沸腾时很高，壁面的净换热量除了按沸腾 计算的以外，还有辐

10、射换 热。辐射换热的作用会增加汽膜的厚度，因此不能认为此时的总换热 量是按对流换热与辐射换热方式各自计算所得之值的简单叠加。勃洛姆来建议采用以下超越方程 来计算考虑对流换热与辐射换热相互影响在内的复合换热的表面传热系数:式中，hc、hr分别为按对流换热及辐射换热计算所得的表面传热系数，其中h按式(3-10)计算,C而h按下式确定：r式中，为沸腾换热表面的发射率,O为斯蒂芬-玻尔兹曼常数。Qd【例3-3】水平铂线通电加热,在1.013 X 105Pa的水中产生稳定膜态沸腾。已知t -t =654C, ws导线直径为 1.27mm, 求沸腾换热表面传热系数。【解】p、入、口由t =(t+t )/2

11、=427C确定。从附录查v vm w s得：p 0314kg/m3,入=0.0505W/(m K), p =0.0243 X 10-3kg/(m s)。 vvp =958.4kg/m3,r=2257X103J/kg。膜态沸腾换热表面传热系数按式(3-10)计算,得h =0,2 X冷戏血屈 x Z257XX (9584kg勺？氐314蚯忌円 X4050 5Vt /(m - K?；1* x ：g塚 xkB/(m - g c 0.00127 m x 6$4U 4=2和Wn?K)讨论1)设壁面发射率S =0.9,则由式(3-12)可得.0.9x5击7feW 也 x ffi&J K*阳K力 L654V=

12、 8$3W/a?R)由式(3-11)得护=f2S + 8,3呦)甫舟/(0?K严由此解得h=323W/(m2 K)此值小于简单叠加之值(366W/(m2K)o2)此时热流密度为q=hAt=323W/(m2 K) X 654 =2.11 X 10sW/m2在同样的热流密度下, 如果不发生膜态沸腾而是处于旺盛沸腾阶段, 则据式(3-5)估计可得h =O$33 5W0*(汕、NP 15 - K) x(2.H x lWAn21 x (1.0BX 曲琅=- K)(4)制冷剂水平管束外大空间的沸腾放热由于采暖空调领域对制冷剂的沸腾放热特别关注，有必要对其沸腾换热炸一特别介绍。制冷剂的沸腾放热是一个很复杂的

13、过程，目前尚未有统一的、适用范围广泛的公式予以 描述，只能采用某些在特定条件下得出的经验公式进行计算。对于光管管束上的沸腾，其放热公式可按如下公式近似计算：当热流密度q2100W/m2时,短A = 103爭能RgA =39.5 严RMA = 33.fi严当热流密度q2100W/m2时,式中，t为氨的沸点。01)肋管上的沸腾放热大于光管，由于加肋以后，在t与q相同的条件下，气泡生成与增 长的条件，肋管较光管有利。2)管束上沸腾放热大于单管。由于下排管子表面上产生的气泡向上浮升时引起液体附加扰动的影响程度依赖于蒸发压力P、热流密度q和管排间距等。而且肋管管束的h大于光管管束, 有的资料介绍，在相同

14、的温度下，RT2肋管管束的沸腾放 热系数比光管管束大70%,R-22大90%。3) 物性对沸腾放热系数有影响，R-22的沸腾放热系数比R-12大20%。4) 制冷剂中含油对沸腾放热系数h的影响与含油浓度有关，当含油浓度W6%时可不考虑 这项影响，含油量再增加可使h降低。对于氟利昂错排正三角形排列的肋管管束，当2000W/m2WQW6000W/m2，纵向管排数ZW10时，可按下式计算：R-12-(3-15)公式(3-15)中放热系数h和热流密度q是相对于整个肋外表面积的。式中压力p0的单位 为bar,管束修正系数取决于热流密度、纵向的管子列数Z和管子粗糙度，若z2000W/m2WqW6000W/

15、m2时, z=1.0。当热流密度再增加，纵向列数大于10，可使小于1,这是z 由于上排各肋管被蒸汽包围所致；如果不按热流密度的大小分区，也可按下式计算多排管束上的平均沸腾放热系数：M=13 严R 1：A =1斗.2沪 嚨佃“加)-巧(3-16)尺二h肌靳g诙歯&g护吧式(3-16)中的单位同前，适用条件:q=10a104W/m2, t=-300C, s/d (管心/管距) =1.151.43，纵向平均管列数Z=1520。(5)制冷剂的管内沸腾 制冷剂在管内沸腾时出现复杂的气一液两相流动，随着沿途不断地受热，含气量、流速 和流动结构都在不断变化，而流速与流动结构又影响气泡的产生、成长和脱离：管内

16、的沸腾放热 系数除了与液体的物性、热流密度q，沸腾压力p0等有关，还与管内流体的流速、管径、管长以 及管子的放置位置、流体流向等因素有关。流动方向自下面上，气泡容易脱离壁面，放热系数也 较大。对于立管内的沸腾放热，其平均放热系数可按下式计算：热ft-4.57 (1 + &.03T1RU2丘 FOO /气 WG350 W/mj(B50 W/mQ(B/y) 0.769q.538 mm时，按对流换热计算，当v(B/y)0.769q0.538时，应按沫态沸腾换热计算，令C=(B/y) 0.769不同制 m冷剂在不同蒸发温度t下的C值，也可由表3-5查得。0氟利昂制冷剂的物性参数 表 3-5蒸发温度t0

17、-50-40-30-20-10-010CR-120.2900.3760.4760.5690.7310.8901.072R-220.2710.3540.4600.5800.7230.9081.110yR-120.5250.3990.3100.2560.1940.1560.126R-220.6350.4700.3510.2720.2150.1690.138BR-120.1050.1120.1180.1230.1290.1340.138R-220.1160.1220.1280.1340.1410.1490.158近十几年来，制冷系统原来广泛使用的制冷剂 R11、R12、R22 等因破坏大气臭氧层 而

18、被逐渐禁 用，从而出现了一些替代制冷剂,如RT34a、R-32、R-152a等单质及R-140A、R-407C 等混合物。Wangl998年回顾了光管和强化管内R-22、R-123、R-134a、R410A和R407C的两 相蒸发流动，指出Cooperl984年突出的关系式（3-8）与实验数据误 差在21.5%之内。 Gorenflol993的关系式比Cooper的关系式与实验数据更为符合，其误差在13.3%以内。h = Fpp(322)q =20000W/m2 试验条件 refh=3900W/m2，ref,R22A =55严Af心匚皆（一隔泌z(323)其中ref式中，F =1.2p o.2

19、7+2.5p+p /（ 1p） ，nf=0.9-0.3p o.3, h 是在 p =0.1， PFrr rrr refr下做出的，参考数据对于制冷剂R-22、R-134a和R-123，其值分别为：h=4500W/m2， h=2600W/m2。ref,R134aref,R123对于混合物管内强迫两相蒸发流动，Kattan1998指出休整的Cooper关系式较为适用: t为混合物的沸、露点温差，0为液体传质系数，为0.0003m/s, p、M分别为混合物的reducedbpLrpressure和分子量，h为当F =1时的理想传热系数W/（m2 K） , B为换算系数（scaling factor）idC0=1.0，pL为液体压力（Pa）, r为蒸发潜热（J/kg）。欢迎您的下载,资料仅供参考!致力为企业和个人提供合同协议，策划案计划书，学习资料等等打造全网一站式需求9 。迎下载